（光学专业论文）高浓度掺杂cdsezns量子点光纤光谱特性的研究.pdf

作为光的增益或放大介质应用于石英光纤，构成量子点光纤，并应用 到量子点光纤放大器( q d f a ) 中，对宽带光纤通信具有很大的作用。 本文着重研究在较高掺杂浓度下掺杂光纤中的光致荧光峰值强度 的变化。其研究工作主要从以下几方面开展： ( 1 ) 测量了c d s e z n s 量子点胶体的吸收谱和辐射谱，以便与量 子点在掺入光纤之后的光谱特性做一比较。 ( 2 ) 估计了实验所需的量子点掺杂浓度范围，并在较高浓度下 ( ( o 1 0 l o ) m g m l ) 制备了c d s e z n s 量子点掺杂光纤，测量了不同 掺杂浓度和不同光纤长度下的量子点光纤光致荧光光谱，得到了荧光 峰值增益最大时的量子点掺杂浓度和光纤长度。 ( 3 ) 对4 7 3m 激励光强随光纤长度的变化进行测量分析，确定了 c d s e z n s 量子点的消光系数。 t ( 4 ) 观测了随掺杂浓度和光纤长度变化的p l 峰值波长红移 了红移的原因以及量子点表面缺陷态发光的影响等。 本文的研究结果可为今后量子点光纤放大器的研制提供有力的支 持。 关键词：量子点掺杂光纤，光致荧光光谱，掺杂浓度，c d s e z n s 量子 点，量子点光纤放大器 a bs t r a c t w i t l lt h er 印i dd e v e l o p m e n to ft h ef i b e r 一叩t i cc o m m u n i c a t i o n s ，m o r e a n dm o r ed e m a n di sp u tf o n a r df o rt h ew i d e rb a n d w i d ma j l dn a tg a i n c h a r a c t e r i s t i c so ff i b e r锄p l i f i e r s t h e d e v e l o p m e n t o ft h e h i g h p e r f o m a n c ef i b e rb e c o m e se x t r e m e l yi m p o r t a n t ，b e c a u s ei ti sas u b s t r a t e m a t e r i a l so ff i b e r 鲫叩l i f i e r s s e m i c o n d u c t o rn a n o - c 巧s t a l s ，i e ，q u 锄t u m d o t sa r ea n i f i c i a lm a t e r i a l s i nr e c e n ty e a r s ，p e o p l ep a yg r e a t l ya t t e n t i o nt o i t sd u et om e i rq u a n t l l ms i z e e f f e c t ，t h e i rc h a n g e a b l er a d i a t i o na n d a b s o 叩t i o np e a kw a v e l e n g m a n dm ef h l lw i d t l la th a l f m a 茹m u m ( f w h m ) s e m i c o n d u c t o rq u a j l t u md o tb er e g a r d e da sag a i no r a m p l i f i c a t i o n m e d i u m 印p l i e d t os i l i c af i b e rs t m c t u r e ，t h e s e q u 甜m l m d o t d o p e df i b e ra m p l i f l e r s ( q d f a s ) h a v e 伊e a tp r o m o t eo ft h e f i b e r - o p t i cc o m m u n i c a t i o n s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ec h 雅g e so fp h o t 0 1 u m i n e s c e n c e ( p l ) s p e c t r ap e a km e n s i t i e si i lc d s e z n sq u a n t u md o t 肋e rw i t hh i 曲d o p i n g c o n c e n t r a t i o n w 色f o c u so nt h et o p i c smt h i sd i s s e r t a t i o na sf 0 1 l o w s ( 1 ) t h er a d i a t i o na n da b s o 叩t i o ns p e c 舰o f c d s e z n sq u a n t l l i l ld o t 浙江工业大学硕士学位论文 w e r em e a s u r e d ，i no r d e rt oc o m p a r ew i mt h es p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c so f c d s e z n sq u a 】吐u md o td o p e df i b e r ( 2 ) t h e 啪g eo fd o p i n gc o n c e 删i o nw a se s t i m a t e da n do p t i c a l f i b e r s d o p e dw i t hh i g h l yc o n c e n t r a t e d ( ( 0 1 o 1o ) m g m l ) c d s e z n s q u 绷l t u md o t ( q d ) a r ep r e p a r e d ，a n dm e i rp ls p e c t r am e a s u r e di nv a r i o u s d o p i n gc o n c e n t r a t i o na n dt h ef i b e r1 e n g t h ( 3 ) t h er a n g eo f t h ee x c i t i n gi m e n s i t ya t4 7 3n mw i t l lt h ef i b e r1 e n g t h w e r em e a s u r e da n da n a l y z e d ，a n de x t i n c t i o nc o e f | f i c i e n to fc d s e z n s q u 砌m d o tw e r ed e t e r m i n e d ( 4 ) ar e ds h i ro ft h ep l p e a kw a v e l e n g t hw i t ht h er a n g eo fd o p i n g c o n c e n t r a t i o na n dt h ef i b e rl e n g t hw e r eo b s e r v e d w ed i s c u s so nt h ec a u s e s o fr e ds h i ra n dt h ei n f l u e n c eo fs u i f a c ed e f e c ts t a t e sl u m i n e s c e n c eo n q u 町咖d o t t h e s er e s e a r c hr e s u l t s p r o v i d e a p o w e r m ls u p p o r t f o rt l l e d e v e l o p m e n to fp o s s i b l eq u a n n j m d o t - d o p e df i b e ra m p l i f j e r si nt h e 缸u r e k e yw o r d s ：q u a n t u md o td o p e d 肋e r ；p h o t o l u m i n e s c e n c es p e c t r a ； d o p i n gc o n c e n t r a t i o n ；c d s e z n sq u a n t l l md o t ；q u a n t i l l n - d o t d o p e df i b e r 锄p l i f i e r s 浙江工业大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a ( ：t 目录1 - r 符 说明 第章绪论。l 1 1 光纤及光纤技术的发展1 1 1 1 光纤技术的发展1 1 1 2 光纤简介2 1 2 几种新型特种光纤的简介3 1 2 1 保偏光纤3 1 2 2 色散补偿光纤4 1 2 3 双包层光纤5 1 2 4 微结构光纤6 1 2 5 稀土掺杂光纤7 1 3 光纤的制备工艺1 0 1 3 1m c v d 工艺简述l l 1 3 2o v d 工艺。1 1 1 3 3 d 工艺。1 2 1 3 4p c v d 工艺1 2 1 4 本研究项目的目标和意义1 2 1 5 本文结构1 4 第二章c d s 胡乙n s 量子点掺杂光纤。1 5 2 1 量子点简介1 5 2 1 1 量子点的基本概念。15 2 1 2 量子点的结构1 6 2 1 3 量子点的光谱特性1 7 2 1 4 量子点的应用1 8 2 2c d s e ，z n s 量子点一1 9 2 2 1c d s e z n s 量子点的结构1 9 2 2 2c d s e z n s 量子点的表征。2 0 2 3c d s e z n s 量子点掺杂光纤的制备2 4 2 3 1c d s e z n s 量子点胶体的制备2 4 2 3 2 空芯光纤灌装方法j 2 5 2 3 3 量子点掺杂光纤的封装一2 6 2 4 本章小结2 7 第三章c d s e z n s 量子点掺杂光纤光致荧光光强的测量。一一2 8 3 1 实验材料及仪器。2 8 3 1 1 实验材料2 8 v 浙江工业大学硕士学位论文 3 1 2 实验仪器2 8 3 2 实验过程2 9 3 2 1c d s e z n s 量子点掺杂光纤制备过程2 9 3 2 2 光谱的测量2 9 3 3 量子点掺杂浓度的估计3 0 3 4 不同掺杂浓度下的p l 光谱3 2 3 5 本章小结3 4 第四章较高掺杂浓度下c d s 吡n s 量子点光纤光致荧光光谱 4 1p l 峰值强度增益与掺杂光纤长度的关系3 5 4 1 1 光纤中激励光强的变化3 5 4 1 2c d s e z n s 量子点消光系数和吸收截面的计算3 7 4 2p l 峰值强度增益与掺杂浓度的关系3 9 4 3p l 光谱中的其它谱峰4 l 4 4 红移现象4 2 4 5 本章小结4 3 第五章量子点光纤的应用 5 1 量子点光纤放大器一4 4 5 1 1q d f a 的工作原理4 5 5 1 2q d f a 的能级模型4 6 5 2 本章小结4 7 第六章本文的工作与展望 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目 发表的论文 参加的科研项目 v i 锅 5 0 5 4 5 5 5 5 5 5 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 空心光纤内径 空心光纤外径 普通多模光纤内径 普通多模光纤外径 掺杂光纤中量子点掺杂浓度 光纤纤芯中光的传播频率 辐射截面 吸收截面 归一化横模强度 量子点的下上能级粒子数密度 光纤损失 有效噪声带宽 量子点上能级寿命 包层的折射率差 光纤纤芯半径 光纤长度 泵浦波长 掺杂粒子数密度 消光系数 一个c d s e z n s 量子点的平均体积 一个c d s e z n s 量子点的质量 消光截面 光强 v j d c 屹 q k & 珞 f 栉 口 0 乃 口 矿 m 盯 ， 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 光纤及光纤技术的发展 1 1 1 光纤技术的发展 近年来，光纤技术被广泛应用于通信、激光器、放大器、传感器等领域，为 光纤通信的发展起到极大的推动作用。从1 9 6 6 年高锟博士提出石英基质阶跃光纤 传送光信号来进行通信，到今天光纤在通信领域的广泛应用。短短几十年里，新 奇的光纤技术得到了飞速的发展，光纤制造工艺也日趋成熟。光纤技术的快速进 步带动光纤通信成为发展最快的一门通信技术。我们简要回顾一下光纤通信的发 展历程【1 1 = 1 9 6 6 1 9 7 6 年，短波长( 8 5 0 眦) 低速率( 4 5 或3 4m b s ) 以及1 0k m 无中继传 输距离多模光纤通信系统的实现，推动光纤通信从基础研究向商业应用发展。 1 9 7 d 1 9 8 6 年，光纤经历了多模到单模的发展过程。实现了工作波长为1 3 1 0 m 、传输速率为1 4 0 5 6 5m b s 和5 0 1 0 0k m 无中继传输距离的单模光纤通信， 有效地提高了传输速率和传输距离，使得光纤通信大力推广应用。 1 9 8 乱1 9 9 6 年，这个阶段1 5 5 01 1 i l l 色散位移单模光纤通信系统得以实现，其 速率可达2 5 1 0g b s ，传输距离可达1 0 0 1 5 0k m 。另外，掺铒光纤放大器( e d f a ) 成熟并商业化，光孤子通信得到广泛研究。 1 9 9 6 年以后，人们对超大容量、超高速率、超长距离光纤通信系统的需求， 促使密集波分复用( d w d m ) 技术得以广泛研究，全光网应运而生。 光纤通信经历了上述一次又一次的蓬勃发展，我们有理由相信光纤技术必将 具有更强的影响力和更宽的影响面。 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 2 光纤简介 光纤具有容量大，损耗低，保密性好，抗干扰性强等优点，它是构建固定光 传输网很好的传输介质。目前使用的通信光纤无例外地都是以石英为基础材料。 它由纤芯、包层及护套( 即涂覆层) 构成，其基本结构如图l 一1 ( a ) 所示。 ( a ) 结构图 芯 图1 1 光纤的结构示意图 ( b ) 横截面图 纤芯是光波的主要传输通道；包层为光的传输起反射面光隔离作用；纤芯和 包层共同完成光纤对光波的导引作用。涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆， 起到防止光纤受到机械损伤得作用，同时又增加光线的柔韧性，起延长光纤寿命 的作用。纤芯和包层由石英材料掺不同的杂质构成。图1 1 ( b ) 中所示，l l 为光 纤纤芯折射率；耽为包层折射率，且纤芯折射率 l 略大于包层折射率也。 光纤种类很多，可按折射率分布、传输模式、工作波长、原材料以及制造方 法来对其进行分类。下面就其中具有代表性的光纤做简单介绍。 ( 1 ) 根据折射率在横截面上的分布形状分类：阶跃型和渐变型光纤； ( 2 ) 根据光纤中传输模式分类：单模光纤和多模光纤； ( 3 ) 根据工作波长分类：紫外光纤、近红外光、纤红外光纤、全波光纤； ( 4 ) 根据制造光纤的材料分类：石英光纤、塑料包层石英纤芯光纤、多成分玻 璃纤维光纤、全塑光纤等。 通信用光纤主要有多模光纤与单模光纤两类。多模光纤因其较为严重的多径 色散，在通信网中已很少使用，尤其是长途传输系统，无例外地都用单模光纤。 2 浙江工业大学硕士学位论文 单模光纤是指在其传输某一工作波长的光脉冲时，在光纤波导中只有基模能够稳 定传输，其它的高阶模都无法稳定存在的一种光纤产品。相比于多模光纤，单模 光纤具有衰减低，带宽高等优点，被广泛使用于长途通信领域。 光纤最主要的传输特性是它的损耗、色散、非线性及双折射等。在光纤通信 发展的早期，损耗是制约光纤通信系统的主要因素。为了满足通信系统高速发展 的要求，低损耗、高性能和多功能集成的特种光纤是众多从事光纤制造的科研人 员所追求的目标。科研人员利用改变传统石英光纤内部掺杂元素或者设计特殊的 结构的方法而研制出了保偏光纤、色散补偿光纤、双包层光纤、微结构光纤、稀 土掺杂光纤等新型特种光纤，使得光纤广泛应用于光通信、传感、材料加工和国 防科技等领域。 1 2 几种新型特种光纤的简介 1 2 1 保偏光纤 保偏光纤( p m f ) 是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一种特种光纤，由于其具有优 良的保偏特性和与普通单模光纤良好的相容性，因而被广泛应用于航天、航空、 航海、工业制造及通信等领域【2 硼。由于人们对光纤通信的保密性和光纤传感系统 高精度测量的迫切需求，保偏光纤的深入研究至关重要。通过探测偏振光偏振度 的变化可以实时检测光纤线路破坏或者窃听地点，极大的利用了保偏光纤双折射 对环境的响应特性，显著提高了光纤通信的保密程度【5 】。在干涉型光纤传感器中， 使用保偏光纤能够保证线偏振光偏振方向不变，从而提高信噪比，物理量的高精 度测量得以实现。 一般而言，保偏光纤是单模光纤的一种。确切地说，保偏光纤是指完全旋转 对称的单模光纤。如果单模光纤在结构和组成上是完全的旋转对称的，没有任何 的本征残余应力存在，同时光纤也没有受到任何的不对称的外部应力影响，模式 l p o l x 和l p o l y ( l p o l 模为基模) 应当是完全简并的。这时如果一个线偏振光被导 入单模光纤，其线偏振态能够完全保持，我们把这种单模光纤称为保偏光纤。保 偏光纤主要分为两大类：低双折射光纤和高双折射光纤。低双折射光纤具备偏振 的稳定度。 8 0 年代， 1 2 2 色散补 损耗和色 术的发展和完善，尤其是掺稀土光纤放大器( 如e d f a ) 的成熟化，光纤损耗已 不再成为光纤发展的主要障碍，但在光纤的色散方面却仍然是影响光纤传输的重 要因素。色散是光纤的一种重要的光学特性，由于它将引起光脉冲的展宽，从而 严重制约了光纤的传输容量。随着波分复用w d m 技术的快速发展，传统的色散 位移和色散平坦技术已不能满足超高速通信的要求，这就需要对光纤通信系统中 的色散进行补偿来满足超高速率与超长距离的光纤通信系统的需求。为了有效的 控制和减少色散，人们提出了色散位移、色散平坦和色散补偿等方法【】。 色散补偿光纤( d c f ) 的补偿原理就是利用一根在1 5 5 0m 处具有负色散的 色散补偿光纤插入链路中来补偿标准单模光纤或其他通信光纤引起的正色散。其 基本原理图如1 2 所示。 l 发射机。 接收机 标准单模光纤色散补偿光纤 图1 2 色散补偿基本原理图 4 浙江工业大学硕士学位论文 通过调整d c f 的长度来控制补偿量的大小，就可以抵消原传输光纤在 1 5 5 0 l 珊处的正色散，使整个通信线路在1 5 5 01 1 m 处的总色散为零，进而减小色 散对光纤的影响。 目前，国际上普遍采用较成熟的色散补偿技术来改善链路色散，包括负色散 光纤补偿技术、光纤光栅色散补偿技术、电子色散补偿技术等，尤其是负色散光 纤进行色散补偿的方法最为方便有效，在系统的稳定性、可靠性以及低成本方面 凸显优势。在基于d w d m 的全光通信网络中，色散补偿器发挥着关键性的作用。 1 2 3 双包层光纤 2 0 世纪8 0 年代后期，美国麻省宝丽来公司的e s n i t z e r 等人【1 0 】提出了双包 层光纤，并且发展了双包层光纤为基础的包层泵浦技术，改变了光纤激光器只能 作为小功率光器件的历史，使光纤激光器可以向高功率方向突破。 双包层光纤是在单模光纤的基础上发展起来的，普通单模光纤的包层为单一 包层结构，泵浦光和信号光在纤芯中传播时，由于泵浦光与光纤之间的耦合效率 不高，导致输出功率偏低。采用在纤芯与外包层之间添加一个直径为几十或者几 百微米内包层的方法，即可解决前面提到的问题。人们将普通单模光纤中添加一 个内包层的光纤结构称为双包层光纤。它是由四部分构成：纤芯，内包层，外包 层，保护层。其结构如图1 3 所示。 泵浦光 亡光输出 、 、 纤芯 图1 3 双包层光纤的结构以及光的传播图 双包层光纤的折射率关系为：纤芯大于内包层，而内包层大于外包层。内包 浙江工业大学硕士学位论文 层的作用可以看作是在单模纤芯外面构成了一个可以传输多模抽运光的通道。在 这个通道中，没有普通光纤对泵浦光的单模限制。双包层光纤独特的包层结构可 以使高功率的多模激光较容易地耦合进入光纤，使泵浦光在内包层中来回反射时 进入纤芯区域被掺杂的纤芯吸收，产生粒子数反转，从而可以得到高功率的激光 输出。双包层光纤被广泛应用于激光器领域，与以前的光纤激光器相比，克服了 单包层泵浦耦合技术的缺点，大大增加了泵浦光的入纤耦合功率，从而使激光器 的输出功率猛增了3 4 个数量级。 1 2 4 微结构光纤 上世纪7 0 年代，微结构光纤逐步得以出现和发展，其单模特性、色散特性、 弯曲损耗特性、易于实现多芯传输以及极强的光学非线性效应等特点引起了人们 的广泛关注。这种结构的新型光纤与传统光纤不同之处在于横截面折射率不规则 分布。其光纤的种类也多种多样，目前最常用的微结构光纤有三种：多孔微结构 光纤、布拉格光纤、瓣型微结构光纤。 1 多孔微结构光纤 多孔微结构光纤即是我们常说的光子晶体光纤( p c f ) ，它是1 9 9 2 年由p s t j r u s s e l l 等人【l l 】提出的，1 9 9 6 年l 矗f，vrbqq一臣 (jd扫一c3c一鼍o广i厶 浙江工业大学硕士学位论文 光谱如图3 4 所示。由于光谱强度与掺杂质量浓度以及光纤长度有关，作为一个定 性比较，图中所示的是在一定浓度下通过改变光纤长度测得的光强最大时的p l 谱。 按质量浓度从大到小的顺序，分别对应于光纤长度垆0 3 ，0 7 ，o 6 ，0 6 ，0 7 和0 8 c m 。在入射光强恒定的条件下，当掺杂浓度从0 2 4m g m l 逐步增大到3 0m g m l 时，p l 峰值强度经历了一个从小到大，然后又从大到小的过程。最大强度时的掺杂 浓度为0 2 7m m l 。当掺杂浓度较高时，p l 峰值强度的下降实际上是荧光猝灭现 象。所谓荧光猝灭是指随着掺杂浓度的增加，无辐射跃迁几率增加，从而使得无辐 射跃迁能量损失增加，最终抑制了辐射跃迁几率，导致p l 光强降低。当掺杂浓度增 加到一定程度时，由于量子点之间的距离非常靠近，当它们同时吸收激励光的能 量跃迁到激发态时，相邻两个量子点之间迅速协同上转换【4 6 】，其中一个量子点以 辐射的形式回到基态，因其释放出的光子能量传递给另一个量子点，导致另一个 量子点跃迁到更高的能级。而处于激发态的量子点进行无辐射跃迁，以无辐射的 方式回到亚稳态，最后再以发射的形式回到基态，这样相当于吸收了两个泵浦光 子，但是只发射了一个所需要的光子，而另外一个被损耗掉了，这样两个量子点 都猝灭了。另外，在高浓度掺杂时，光纤中来自于量子点大尺寸( 相对于原子) 效 应的散射损耗变得明显，p l 强度将进一步被抑制。鉴于掺杂浓度为o 2 7m m l 时 得到掺杂光纤p l 峰值的最大强度，我们下面的工作( 第四章) 将主要围绕掺杂浓 度为o 2 7m m l 附近展开。 3 5 本章小结 本章首先简单介绍了实验的材料、仪器和实验过程。根据c d s e z n s 量子点壳 的厚度、核的直径以及其辐射与吸收比达到最大时的数密度范围，估计出其掺杂 浓度范围为c = ( 0 0 0 3 2 6 3 2 6 ) m g n l l 。然后在这个浓度范围内选择4 7 3 1 1 1 1 1 激光作为 激励光源，完成了1 0 多种不同掺杂浓度下的光纤出射端的p l 光谱的测量。通过实 验测量得到掺杂浓度为0 2 7m 咖l 时得到掺杂光纤p l 峰值的最大强度，接下来第 四章的工作将主要围绕掺杂浓度为o 2 7m 卧n l 的附近展开。 3 4 浙江工业大学硕士学位论文 第四章较高掺杂浓度下c d s e z n s 量子点光纤光致荧光光谱 4 1 p l 峰值强度增益与掺杂光纤长度的关系 4 1 1 光纤中激励光强的变化 由于p l 光强与激励光密切相关，因此在研究p l 光强之前，我们先考察光纤中 激励光强的变化。光纤中的激励功率随光纤长度的变化如图4 1 所示 f i b e r l e n g t l l c m 图4 1 光纤中的激励功率随光纤长度的变化 由图4 - 1 可见，波长为4 7 3n m 的激励光在光纤较短的距离内消光作用( 主要 是吸收) 非常强烈，其随光纤长度的增加呈指数下降。当光纤长度大于9 c m 时，激 励光几乎全部被吸收。掺杂浓度越大，消光越强，这与量子点的吸收截面很大有 关。设光强沿光纤长度的变化满足，= 厶e 冲( 一耐，) ，则消光系数诃由图4 中的 强度下降到e - 1 时来确定，并可进一步得到消光截面仃= 口以及每摩尔消光系 3 5 浙江工业大学硕士学位论文 数s ( = 口c ) ，具体数据见表4 1 。消光系数的具体计算过程见4 1 2 节。 表4 1 测量的4 7 3 n i l l 激励光消光系数和消光截面 已有一些文献报道c d s e 量子点第一吸收峰波长处的消光系数，例如文献 2 9 】 报道了用纳米晶体纯化法实测的每摩尔消光系数= 5 8 5 7 谚6 5l c m m o l 。取量子 点直径伤= 2 5m n ，则s = 2 9 7 1 0 5 从m n l o l ，与本文表l 中的数据接近。两者略 有差别的原因估计与本文中的量子点直径不正好等于2 5 啪以及量子点外面有 z n s 包覆层有关( 文献【2 9 】中的量子点没有包覆) 。 在激励光的作用之下，实测的p l 峰值强度增益随光纤长度的变化示于图5 ( 光纤入射端处为0d b ) 。其中峰值增益对应的光纤长度，按浓度从大到小的顺序， 分别为o 5 ，0 6 ，0 6 ，0 7 和0 8 c m 。由图4 2 可见，在光纤的入射端附近( 1om g m l ) ，p l 光强没有其它的极大值出现。这可能是由于掺杂浓度过高， 使得荧光猝灭现象更容易发生，导致p l 强度不可能再增强。 浙江工业大学硕士学位论文 由图5 和图6 ，注意到掺杂浓度c 越大，p l 峰值所对应的光纤长度厶越短，这 提示浓度和光纤纤芯体积的乘积7 c 口2 三，c 可能为一个饱和常量。根据本文的实验 数据，其乘积为常量( 2 2 0 0 5 ) 1 0 - 5m g ( 0 0 5 波动可能是由实验误差所致) 。 该数据与文献 3 4 】在低浓度下测量的饱和常量数据一致。此结果表明：在给定激励 光强和激励波长的条件下，量子点光纤中所能激励产生p l 辐射的量子点总数 ( 或质量数) 是恒定的。注意到本实验数据是在多模光纤条件下取得的，对于单 模光纤，可取的三厂c 乘积值是否按半径平方的关系增加，还有待于进一步验证。 4 3p l 光谱中的其它谱峰 在实验中，我们还发现了一些有趣的现象。在4 7 3m 光源的激励下，除了 6 0 0 啪附近c d s e z n s 量子点的p l 发射峰之外，在5 4 2 5 8 0 衄区域还存在一 个微小的发射峰，并且它只在较短的光纤长度范围内( 1 1 0c m ) 才出现( 图4 4 ) 。 随着光纤长度变短，此峰的强度不断增大，最终与量子点的p l 峰完全叠加，它 不再单独出现。 图4 - 4 不同光纤长度下c d s e 庀巯s 量子点光纤的p l 谱( c = o 2 7 m 劝n l ) 4 l 【n时扫一c里口一。葛od-广i山 浙江工业大学硕士学位论文 该峰形成的原因：由于包覆层z n s 的尺寸为纳米级，在量子点溶液中有可能形 成单体。z n s 纳米颗粒有相对较多的表面缺陷态，这些表面缺陷态属于束缚能级， 位于半导体的带隙内。当纳米微粒受光激发后，产生的载流子在极短的时间内被表 面缺陷态所俘获，产生表面缺陷态发光。由于表面缺陷态发光能量低于激子带间发 射能量【4 9 】，因而使其发光峰位置红移到实验所观测到的5 4 2 5 8 0 姗区域。如果 适当抑制z n s 的表面缺陷态发光，可在一定程度上提高c d s e z n s 量子点的p l 强 度。 另外，实验中发现在9 4 6 衄附近还有一激励峰，但峰值较小。该峰是4 7 3 衄 激励光源的倍频。该激励峰只有在离光纤入射端较近的距离( 4 7 咖) 处才能观 测到，这说明量子点对9 4 6m 的光有吸收。由于9 4 6i m 光的峰值很小，因此可以 认为量子点的p l 峰值主要是由4 7 3m n 的激励光源所致。 4 4 红移现象 由图4 4 可见，光纤中的量子点p l 发射峰值波长有红移现象。相对于光程极短 的胶体量子点( 图2 。9 ) ，光纤中的红移约为8 1 5 衄，且红移的大小随着光纤长度 的增加而增加( 见图4 4 中的小插图) 。在其它掺杂浓度下，红移现象类似，但红移 的大小不同，即红移与掺杂浓度有关。红移现象的原因可从两个方面来分析： ( 1 ) 不同尺寸的量子点，其p l 光谱和吸收光谱的峰值波长不同。由于量子点有一 定的粒度分布，因此，小尺寸的量子点吸收激励光的能量后到达激发态，将其 能量转移给尺寸较大的量子点，从而导致红移的产生。然而，小尺寸的量子点 相对正常尺寸的量子点要少很多，并且其吸收辐射能有限，因此红移量不会 很大。显然，红移量的大小依赖于掺杂浓度以及量子点的粒度分布。 ( 2 ) 对于光纤形态的传光介质，存在着所谓的“二次吸收一发射效应 【4 5 j 。在光 纤前端，量子点在吸收了激励能之后所辐射的p l 光，在其沿光纤传输的过程中将 被光纤后端邻近的量子点吸收，并且光纤长度越长，被吸收后又再次发射的机会 越大。由于受激载流子并不能自由地跃迁到一个高能级上去，而只能跃迁到一个较 低的能级，因此，光纤后端量子点发射的波长将增大，即传光长度将引起“红移 。 4 2 浙江工业大学硕士学位论文 此外，c d s e 自身的表面缺陷态发光也会引起红移1 5 0 】。 量子点光纤中的红移现象有利于扩展光纤放大器的带宽，它可使得更多频率 的光都可得到“二次发射 或放大。但红移现象使得量子点光纤中的增益谱变得 复杂，增益将不仅仅与波长和光纤长度有关，它还将依赖于掺杂浓度和量子点的 粒度分布等，这在今后的工作中需要注意。此外，实验发现：较高浓度与较低浓度 下的红移量随掺杂浓度的变化不完全相同。在低浓度掺杂情况下，例如当掺杂浓度 c 1 3m m l 时，红移量随掺杂浓度的提高而增大。但当c 1 3m m l 时，实验 观测到的红移量反而减小，其原因尚待进一步研究。 4 5 本章小结 本章主要讨论c d s e z n s 量子点光纤出射端的p l 峰值光强与掺杂浓度和光 纤长度的关系。实验结果发现：( 1 ) 当掺杂浓度为0 2 7m m l 时，p l 峰值增益 最大，可达l o 2d b ；( 2 ) p l 峰值光强随光纤长度的变化在短距离内( lc m ) 急 剧上升，之后缓慢下降，当光纤长度从2c m 增加到2 0c m 时，增益从9d b 均匀 下降到6 4d b 。( 3 ) 波长4 7 3 眦激励光强随光纤长度的变化呈指数形式衰减，消 光系数为( 0 2 6 1 0 2 ) c m 。本章4 1 2 节给出了每摩尔消光系数的详细计算过程。 ( 4 ) 光纤中的p l 峰值波长存在红移，红移大小约8 1 5l 吼。本章最后一节对红 移现象作了解释。实验结果为今后量子点光纤放大器的研制提供了有力的支持。 4 3 浙江工业大学硕士学位论文 第五章量子点光纤的应用 通过前面对c d s e z n s 量子点光纤光谱特性的研究，表明量子点可以作为很好 的光增益和放大介质。在合适的量子点掺杂浓度和光纤长度下，制备的掺杂光纤 可以得到较好的p l 峰值增益。另外，光纤中出现的p l 峰值波长红移现象，有利于 扩展光学器件的带宽。量子点吸收和辐射谱覆盖了从4 9 0 2 3 0 0 姗很宽的波带， 更引人注意的是p b s e 量子点的吸收谱正好落在常规的光纤通信中心波长1 5 5 0 眦 附近，有望p b s e 量子点作为量子点光纤的掺杂材料，如果p b s e 量子点光纤研制成 功势必广泛应用于光纤通信领域。 5 1 量子点光纤放大器 光纤放大器是密集波分复用全光网通讯中的关键器件之一。目前，主力光纤放 大器是掺铒光纤放大器( e d f a s ) 。人们通过在e d f a s 纤芯中加进一些其它元素( 例 如铥、镱等) ，设计双向、反向、环形和多级泵浦等许多不同的结构来增加光纤放 大器的带宽和平坦增益1 5 1 1 。近年来，人们还将e d f a s 与带宽最宽的r a m a l l 光纤放 大器结合起来【5 2 5 引，使之同时具备高平坦增益度和宽带宽的特性。然而，经过较长 时期的研究和发展，掺天然元素的光纤放大器的增益和带宽等主要技术指标已达 极限。在波分复用全光网通讯的巨大市场需求推动下，迫切需要找到具有更宽的带 宽和更好的平坦增益特性的光纤放大器。对此，国内外对光纤放大器的研究如火 如荼。国外科研人员f r a n kw i s e 【”j 提出了用p b s e 和p b s 量子点掺杂光纤做成光纤放 大器的构想，并给出了量子点光纤放大器( q d f a ) 的理论模型以及实验检测了这 种光纤放大器的光谱特性，如图5 1 。q a s a i l i l e h 【5 5 j 构建了量子点光放大器的一个理 论分析模型，并对此做了大量的理论分析和推导。而在国内程成【4 3 】等对1 5 5 0 m 波 段q d f a 及多量子点共掺全波段光纤放大器作了系统的研究，对其增益、带宽和噪 声系数等主要指标进行详尽的模拟、优化。有理由相信一种新型的量子点光纤放 大器不久将会实现。 浙江工业大学硕士学位论文 图5 1 量子点光纤放大器的模型及p b s e 量子点在模型系统中的光谱 下面我们来对这种新颖的光纤放大器的工作原理以及增益、带宽和噪声系数 等主要指标进行介绍。 5 1 1q d f a 的工作原理 众所周知，掺铒光纤放大器( e d f a ) 的增益介质是铒( e r ) 离子，e ，离子 在吸收泵浦光能量后，从基态向高能级跃迁，而后又迅速到达亚稳态，在泵浦源 的作用下实现粒子束数反转，当有光信号通过时，发生受激辐射而产生光放大。 同理，量子点光纤放大器( q d f a ) 是以量子点作为光的增益和放大介质，量子点 在放大器中的工作机理e ，离子类似，q d f a 的基本结构可参照e d f a ，其结构如 图5 2 所示。 图5 2q d f a 的基本结构 图5 2 可见，q d f a 主要由量子点光纤、泵浦源、耦合器、隔离器、滤波器组 4 5 浙江工业大学硕士学位论文 成，其中量子点光纤是其核心部分。不同波长光的信号光经过隔离器后与泵浦光 一起到达耦合器混合紧接着送入量子点光纤。这里光隔离器的作用是抑制反射光 影响光放大器，保证系统稳定性。量子点光纤的出射端经隔离器后与滤波器相连， 从而输出光信号。这里滤波器主要起滤除放大器的噪声，提高系统的信噪比的作 用。从整个工作过程来看，光信号的放大无疑是在量子点光纤中完成的。 5 1 20 d f a 的能级模型 我们采用比较简明的二能级模型来描述q d f a 。在量子点光纤中不仅有信号光 和泵浦光传播还有自发辐射光等，在不考虑光纤色散、非线性效应以及由此造成 的频率串扰的情况下，在纤芯中传播频率为屹的光功率方程为4 2 5 6 】： 垡掣：z f a i ( 咖：( ) 最( z ) + 耽办y 七y 七 2 万r 办 c z ： 一甜七仃幺i 磊( r ) 确( r ，z ) 最( z ) 2 万n 办一厶e ( z ) ( 5 1 ) o 式中乓是信号光、泵浦以及噪声功率，砚七( 是辐射( 吸收) 截面，堙是归一化 横模强度，惕：是量子点的下上能级粒子数密度，如是光纤损耗，砒是有效噪声带 苋。光j j 苷刚i 司( “萨+ 1 ) 或庙l 司( 锹= 1 ) 传播，对于目友甬虽射阴噪户功翠，m = 2 ； 对于信号和泵浦功率，m = o 。方程( 5 1 ) 中第一项为辐射及噪声对光功率的增加，第 二项为光功率的吸收，第三项为光纤损失。 上能级的粒子数密度方程为： 鲁= ；气 + 莩气乒也一争三啊一如吃一争c 5 2 ， 式中，f 是上能级寿命， 兰；警 慨3 ， 如兰莩警 慨4 ， 浙江工业大学硕士学位论文 咖) = 蔫 咄二至釜竺!慨5 ， 咆一 动 g = 1 0 l o g 二尹= ，( 0 ，以，) ( 5 7 ) 5 2 本章小结 本章主要介绍了量子点光纤在光纤放大器方面的应用。由于这种新型放大器 还处于理论研究阶段，本文只对工作原理和能级模型两个方面做简单介绍，其增 益、带宽和噪声系数等参量有待进一步实验研究分析。 4 7 浙江工业大学硕士学位论文 第六章本文的工作与展望 随着光纤通信的不断发展，以及波分复用全光网通讯的巨大市场需求推动下， 越来越需要具备宽带宽和平坦增益特性的光纤放大器来拓展信道。然而，经过较 长时期的研究和发展，掺天然元素的光纤放大器的增益和带宽等主要技术指标已 达极限。人们正在极力的研究新型材料光纤放大器。这时，有着众多优点的新型 半导体纳米材料的量子点成为关注的对象。量子点由于具有独特的光物理、光化 学和光电性质，如：量子尺寸效应、表面效应以及宏观量子隧道效应等特性，使其 成为国内外科研人员的研究热点。其吸收和辐射谱波带之宽以及谱峰可调优越特 性是天然元素无法达到或无法具备的，这也是将量子点应用于石英光纤制成量子 点光纤，从而可进一步制各成量子点光纤放大器的基本依据。理论研究表明将其 做成量子点光纤放大器可获得高增益、宽波带、低噪声等优良特性，因此对量子 点光纤放大器研究是一项很有意义的工作，这将极大地促进了光纤放大器技术的 发展。 作为量子点光纤的制备以及光谱特性的研究阶段，本文有如下几个创新点： ( 1 ) 制备了一种较高浓度掺杂的c d s e z n s 量子点掺杂光纤。实验之前，我 们对实验所需的量子点掺杂浓度范围作了估计，其结果对应于掺杂浓度为 ( 0 0 0 3 2 乱3 2 6 ) m 咖l 。由于此前本课题组曾在低掺杂浓度范围内( ( o 0 0 3 3 0 0 2 5 ) m 斯n l ) 对掺杂光纤的红移现象进行了研究，因此这里选取掺杂浓度为( o 1 0 l o ) m g m l 的量子点胶体作为掺杂物质，从而制备出较高浓度掺杂的c d s e z n s 量子点 掺杂光纤。 ( 2 ) 测量了量子点